Aufwärtswandler in bestehende PWM-Steuerung integrieren

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Moderator: T.Hoffmann

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Bad_Rockk
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Di, 10.03.20, 09:35

Hallo zusammen,

Ich bin elektrotechnisch kein Experte, aber ich finde die ganze Thematik sehr interessant und möchte gerne mehr verstehen.

Ich habe zur Beleuchtung meines Aquariums LED-Balken im Einsatz. Gesteuert wird alles über einen GHL Aquariencomputer. Dieser hat eine 1-10V Schnittstelle welche den passenden LEDControl4 V2 mit integrierten Treibern (5V-48V, 4 Kanäle, max. 5A Gesamtstromstärke) ansteuert. Danach kommt noch ein Repeater (5-24V, 4x8A). Versorgt wird alles über ein Meanwell Netzteil mit 12V/16A= 192W.

Das ganze System funktioniert sehr gut und läuft ohne Probleme. Probleme machen eher meine LED-Balken, da diese nicht lange halten. In der Aquarienabdeckung ist es recht warm und die Wärmeabfuhr daher schlecht. Daran lässt sich ohne aktive Kühlung nichts ändern. Ist aber auch nicht die aktuelle Frage.

In diesem Youtube-Video hat jemand eine wassergekühlte LED-Beleuchtung mit COB-LED's gebastelt. Die Idee finde ich gut und überlege mir nun, wie ich etwas ähnliches umsetzten kann. Anstelle der Cree 3590, würde ich für einen Prototyp 2x Nichia NFCWL072B-V2 (36V, 19W, 2800lm) verwenden.

Der mechanische Aufbau ist kein Problem, aber zu den Anschlussmöglichkeiten habe ich ein paar Fragen:

Variante 1:
Ich kaufe einen zweiten LEDControl4 V2 und ein passendes 36V Netzteil. Somit hätte ich zwei Kanäle welche ich mit 12V weiterbetreiben kann und zwei Kanäle mit 36V. Da der LEDControl4 V2 nur bzgl. der Maximalstromstärke begrenzt ist, könnte ich hier theoretisch 36Vx5A=180W mit entsprechendem Netzteil versorgen. Ich könnte daher 4 Module mit je 2x Nichia NFCWL072B-V2 damit betreiben. Das wären theoretisch 4x38W=152W.

Nachteil: Ich müsste Controller und Netzteil neu kaufen und die bestehenden Komponenten wäre dann komplett überdimensioniert.

Variante 2:
Ich verwende meinen Aufbau wie bisher und füge bei einem Kanal nach dem Repeater einen Aufwärtswandler ein. Hört sich recht simpel an, aber funktioniert das auch? Und kommen solche Aufwärtswandler mit dem PWM-Signal zu Recht? Und kommen die LED's damit zu Recht?

Gruß Tim
Borax
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Di, 10.03.20, 13:40

'Nackte' LEDs wie die COBs (auch die Nicha NFCWL072B-V2) werden immer mit Konstantstrom betrieben. Die LED hat auch nicht 36V sondern bei dem typischen Strom von 540mA eine Spannung die knapp bei 35V liegt. Diese Spannung ist auch noch temperaturabhängig (bei höherer Temperatur niedriger), so dass sich diese LED nicht ohne weitere Bauteile (mindestens ein Vorwiderstand - besser eine KSQ) betreiben lässt.
Und kommen solche Aufwärtswandler mit dem PWM-Signal zu Recht? Und kommen die LED's damit zu Recht?
Wie gesagt, die LEDs benötigen Konstantstrom. Es gibt Konstantstrom-Aufwärtswandler mit extra PWM Eingang, die damit zurechtkommen sollten. (z.B.: https://www.leds.de/mehr/elektroinstall ... 95318.html ) Die zwei LEDs werden dann in Reihe an die KSQ angeschlossen. Die KSQ kann maximal 2 LEDs versorgen (maximal 86V - zwei LEDs brauchen rund 70V). Die KSQ wird direkt an das 12V Netzteil angeschossen. Der DIMM-Eingang dieser KSQ braucht eine PWM Spannung von 2-8V. Da müsstest Du also noch einen Spannungsteiler (zwei Widerstände mit z.B. 10K) zwischen den PWM Ausgang der LED-Control PWM Steuerung und den PWM-Eingang der KSQ setzen. Andere Möglichkeit wäre den 1-10V Ausgang direkt zu verwenden. In diesem Fall müsste man aber die 1-10V auf 0.25-1.3V herunterteilen, weil der analoge Eingang der KSQ in diesem Bereich arbeitet. Das würde mit einem Spannungsteiler aus einem 10KOhm und einem 1.5KOhm Widerstand funktionieren.
Bad_Rockk
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Di, 10.03.20, 20:31

Hallo Borax,

Danke für die schnelle Rückmeldung. Da war ich wohl etwas auf dem Holzweg...

Ja, die 36V hatte ich falsch im Kopf.

Wenn ich also den Meanwell LDH-45A-500W direkt an mein 12V KSQ anschließe, dann wandelt er mir meine 12V Konstantspannung in einen 500mA Konstantstrom, richtig?
Der DIMM-Eingang dieser KSQ braucht eine PWM Spannung von 2-8V. Da müsstest Du also noch einen Spannungsteiler (zwei Widerstände mit z.B. 10K) zwischen den PWM Ausgang der LED-Control PWM Steuerung und den PWM-Eingang der KSQ setzen.
Durch den Spannungsteiler wird meine Steuerspannung von 1-10V auf max. 8V reduziert. Da der Regelbereich aber erst bei 2V anfängt, kann ich höchstwahrscheinlich nicht meinen kompletten Dimmbereich von 0-100% verwenden. Bzw. erst ab einem gewissen Schwellenwert, sobald die 2V erreicht sind, wird die KSQ anfangen den Strom hoch zu regeln. Richtig?

Die KSQ kann maximal 86V bei 0,5A leisten, macht also 43W. Wenn ich nun nur mehrere dieser KSQ an meinem aktuellen 12V/192W Netzteil betreiben möchte, kann ich also max. 4 dieser Module damit versorgen. Theoretisch blieben dann noch 20W Leistungsreserve übrig, falls die COB's immer auf 100% laufen würden.
Zuletzt geändert von Bad_Rockk am Mi, 11.03.20, 12:15, insgesamt 1-mal geändert.
Bad_Rockk
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Mi, 11.03.20, 10:47

Hallo Borax,
Da müsstest Du also noch einen Spannungsteiler (zwei Widerstände mit z.B. 10K) zwischen den PWM Ausgang der LED-Control PWM Steuerung und den PWM-Eingang der KSQ setzen.
Wenn ich einen Spannungteiler mit zwei in Reihe geschalteten Widerständen habe, dann müsste ich nach meiner Rechnung R1 immer 1/5 von R2 sein.

Also z.B. U_ges= 10V, R1= 2,5k, R2=10k. Damit ergibt sich für U_1=2V und U2=8V. Bei 2,5V am LED-Controller hätte ich dann 2V an der KSQ. Damit wäre mein Regelbereich also von 25-100%.

Mein LEDControler hat 6 Pins mit folgender Belegung:
1: LED + Hier liegt das Pluspotenzial des Netzteils an, die + Leitung der LEDs von LED-Leuchtmitteln wird hier angeschlossen
2: LED PWM 4 Hier liegt die PWM des vierten Kanals (L4, rechter L-Port) an, an diesem Kanal wird immer ein Blitz generiert
3: LED PWM 3 Hier liegt die PWM des dritten Kanals (L3, rechter L-Port) an, an diesem Kanal ist die Blitzfunktion abschaltbar
4: LED PWM 2 Hier liegt die PWM des zweiten Kanals (L2, linker L-Port) an
5: LED PWM 1 Hier liegt die PWM des ersten Kanals (L1, linker L-Port) an
6: LED - Hier liegt das Minuspotenzial des Netzteils an, bei LED-Treibern wird hier die Masse der PWM-Eingänge
angeschlossen

Aktuell habe ich die LED-Balken (inkl. Repeater dazwischen) jeweils zwischen Pin 1 und Pin 2-5 angeschlossen. Müsste ich den LDH-45A-500W also wie im Bild anschließen? Edit: Jetzt direkt mit mehreren KSQ's.
Schaltplan_Controler_Repeater_KSQ.jpg
Schaltplan_Controler_Repeater_KSQ.jpg (60.57 KiB) 3067 mal betrachtet
Und wie lässt sich das ganze am geschicktesten skalieren? Sprich, ist die Lösung mit einer KSQ pro Modul auch bei 4 (oder 8 ) Modulen noch die bevorzugte Lösung? Oder macht hier ggf. eine Parallelschaltung der Module und die Verwendung eines passendes dimmbaren Netzteils (HLG-320H-C2100B) Sinn?
Buddhamilch
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Mi, 11.03.20, 17:46

Wenn ich einen Spannungteiler mit zwei in Reihe geschalteten Widerständen habe, dann müsste ich nach meiner Rechnung R1 immer 1/5 von R2 sein.

Wenn Du 2 gleiche Widerstände verwendest, halbiert sich die Spannung. Und damit ist diese Information größer als 2V, aber kleiner als 8V.

PWM ist keine analoge Information, vergleichbar mit einer Steuerspannung, wo die Höhe der Spannung eine Rolle spielen würde. PWM ist eine digitale Information. Digital kennt nur 2 Zustände: Ein oder Aus, High oder Low, oder mit Zahlen ausgedrückt: 1 oder 0. Die Information, wie hell oder wie dunkel es werden soll, wird bei einer Pulsweitenmodulation (PWM) durch die Pulsweite übermittelt. Je länger der Puls im Verhältnis zur Pause, desto heller wird das Licht wahrgenommen. Oder anderes herum: je länger die Pause im Verhältnis zum Puls, desto dunkler wird das Licht wahrgenommen.

Der PWM-Eingang eines LDH-45A-xx benötigt für ein logisches High (1) eine Spannung, die mindestens 2V groß sein muss und max. 8V groß sein darf. Das logische Low (0) ist entsprechend eine Spannung, die kleiner als 2V ist.
Bad_Rockk
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Mi, 11.03.20, 22:02

Hallo Buddahamilch,

Danke für die Erklärung. Die 10V sind nur die Steuerspannung die an den LED Controller geht. Die angeschlossenen LED Balken laufen mit 12V. Würde dann aber dennoch passen, da es dann mit dem Spannungsteiler ein 6V PWM Signal ergibt.

Aber die COB's an dem LDH werden dann nicht per PWM gedimmt, oder? Der LDH nimmt nur das PWM Signal als Steuerungsignal und passt dann den Strom an, oder?

Wäre denn mein Schaltungsaufbau korrekt?
Buddhamilch
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Do, 12.03.20, 00:15

Aber die COB's an dem LDH werden dann nicht per PWM gedimmt, oder?

Doch, auch.
Der Controller schaltet per PWM das Minus von den Led-Balken an Minus der Versorgungsspannung. Der LDH-45A ist parallel angeschlossen und bekommt die gleiche Information. Nur die Höhe der Spannung wird für ihn angepasst.
Wäre denn mein Schaltungsaufbau korrekt?

Ich sehe keinen Fehler. Sollte also funktionieren.
Bad_Rockk
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Do, 12.03.20, 10:36

Hallo Buddhamilch,
Doch, auch.
Der Controller schaltet per PWM das Minus von den Led-Balken an Minus der Versorgungsspannung. Der LDH-45A ist parallel angeschlossen und bekommt die gleiche Information. Nur die Höhe der Spannung wird für ihn angepasst.
Ja, das habe ich verstanden. Die LED-Balken werden praktisch permanent an- und ausgeschaltet, durch die Trägheit der Augen nimmt man aber nur eine bestimmte Helligkeit wahr. Ich habe es aber so verstanden, dass der LDH kein PWM-Signal an die COB's weitergibt sondern die Helligkeit über die Stromstärke anpasst. Habe ich es richtig verstanden oder werden auch die COB's permanent an- und ausgeschaltet?
Und wie lässt sich das ganze am geschicktesten skalieren? Sprich, ist die Lösung mit einer KSQ pro Modul auch bei 4 (oder 8 ) Modulen noch die bevorzugte Lösung? Oder macht hier ggf. eine Parallelschaltung der Module und die Verwendung eines passendes dimmbaren Netzteils (HLG-320H-C2100B) Sinn?
Ich möchte erreichen, dass ich eine möglichst lange Lebensdauer der COB's bekomme. Genau damit habe ich aktuell ein Problem bei den LED-Balken (nicht gekühlt). Nach und nach verabschieden sich einzelne LED's und irgendwann leuchten nur noch 20-50% pro Balken. Daher auch die Idee mit den wassergekühlten COB's. Ich habe auch gelesen, dass man die COB's noch effizienter und langlebiger betreiben kann, wenn man sie nicht am Maximum betreibt.

Wenn die COB's doch per PWM gedimmt werden, wäre dann nicht doch ein Aufwärtswandler eine Möglichkeit? Bei diesen Teilen hätte ich die Möglichkeit sowohl Spannung, als auch Stromstärke einzustellen.

Beispiel:
600W DC 10-60V auf 12-80V Boost Spannungswandler (Eingangsspannung: 12V-60V; Eingangsstrom: max. 15A; Ausgangsspannung: 12V-80V (kontinuierlich einstellbar); Ausgangsstrom: max. 10A (einstellbar))

1 Modul: 2x Nichia NFCWL072B-V2 (35V, 19W, 2800lm) seriell -> 70V, 540mA, 38W
2 Module parallel: 70V, 1080mA, 76W
3 Module parallel: 70 V, 1620mA, 114W
...
10 Module parallel: 70V, 5400mA, 378W

Mit dem aktuellen Netzteil könnte ich zwar "nur" 192W leisten und würde den Eingangsstrom überlasten, aber so viele Module werde ich vorraussichtlich auch nicht benötigen.

Wie gesagt, ich bin neu in der Thematik und möchte verstehen was hier passiert. Daher vielleicht auch die komischen Nachfragen.
ustoni
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Do, 12.03.20, 11:17

Ich habe es aber so verstanden, dass der LDH kein PWM-Signal an die COB's weitergibt sondern die Helligkeit über die Stromstärke anpasst. Habe ich es richtig verstanden ...
Hast Du richtig verstanden. Der LDH liefert am Ausgang kein PWM-Signal, sondern einen vom PWM-Eingang abhängigen Konstantstrom.
Bad_Rockk
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Do, 12.03.20, 12:58

Hallo Ustoni,

Danke für die Aufklärung. Also werden die COB's gedimmt indem der zur Verfügung stehende Strom reduziert/erhöht wird. Entsprechend dem anliegenden Strom, ändert sich je nach COB dann auch die benötigte Spannung.

Dadurch ergibt sich dann auch der Vorteil gegenüber der PWM-Dimmung, dass die Leistung auch wirklich reduziert wird. Bei PWM müssen meine Komponenten ja immer die maximale Leistung aushalten, da sie permanent ein- und ausgeschaltet wird.

Dann hat sich die Idee mit dem Voltage Booster also erledigt. Da ich hier Spannung/Strom nur manuell über die Potis einstellen kann.

Würden diese Widerstände für den Spannungsteiler ausreichen?
https://www.leds.de/widerstand-0-33w-620-ohm-80008.html
Die KSQ kann maximal 86V bei 0,5A leisten, macht also 43W. Wenn ich nun nur mehrere dieser KSQ an meinem aktuellen 12V/192W Netzteil betreiben möchte, kann ich also max. 4 dieser Module damit versorgen. Theoretisch blieben dann noch 20W Leistungsreserve übrig, falls die COB's immer auf 100% laufen würden.
Demnach wäre die einfachste (und mit dem aktuellen Netzteil bis auf 4 Module erweiterbare) Lösung, die mit einem LDH pro Modul. Dadurch verhindere ich auch Kreuzeinflüsse zwischen den Modulen, sollte mal ein COB kaputt gehen. Daher würde nur die Spannung am LDH sinken und nichts weiter passieren.
ustoni
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Do, 12.03.20, 13:45

Würden diese Widerstände für den Spannungsteiler ausreichen?
Kannst Du durchaus nehmen. Der Strom durch die Widerstände beträgt dann zwar 11 mA, das hat aber auch den Vorteil, dass Du noch mehr LDHs parallel anklemmen kannst.
Bad_Rockk
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Fr, 13.03.20, 08:44

Hallo Ustoni,

kannst du das bitte genauer erklären? Wären andere Widerstände geschickter und warum?
Die Endausbaustufe soll max. 4 dieser LDH's beinhalten. Für mehr Module reicht mein aktuelles Netzteil nicht aus.

Bei 0,33W/Widerstand und je 6V Spannung komme ich auf I = U / P = 0,33W / 6 V = 0,055A. Also 0,11A für beide Widerstände. Das muss mein Controller also bereitstellen. Der kann max. 5A. Da alle anderen Kanäle aber über den Repeater versorgt werden, sehe ich hier keine Probleme.

Wie gesagt, bin kein Experte auf dem Gebiet.
ustoni
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Fr, 13.03.20, 13:06

Bei 0,33W/Widerstand und je 6V Spannung komme ich auf I = U / P = 0,33W / 6 V = 0,055A. Also 0,11A für beide Widerstände. Das muss mein Controller also bereitstellen.
Diese Rechnung ist - gelinde gesagt - absurd. :wink:

Die Angabe 0,33 W beschreibt die maximal zulässige Verlustleistung des Widerstands; mit Deiner Schaltung hat das absolut nichts zu tun.

Hier wird selbstverständlich das ohmsche Gesetz verwendet:
I = U/R = 6 V/620 Ohm = 0,0098 A = 9,68 mA
(Frag mich jetzt nicht, wie ich im anderen Post auf 11 mA gekommen bin :lol: )

PWM-Eingänge sind normalerweise relativ hochohmig, daher reicht ein Strom von 0,1 mA zur Steuerung völlig aus.
Die Widerstände dürften deshalb auch hochohmiger sein, z.B. 1 kOhm oder 4,7 kOhm. Im Endeffekt spielt der Wert keine Rolle.
Ich selbst mach das meist so, dass ich schaue, was ich noch da habe. Wenns halbwegs passt, wirds verwendet.
Bad_Rockk
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Fr, 13.03.20, 21:02

Ich sag ja, ich hab keine Ahnung von der Thematik :roll: Aber interessant ist es.
Bad_Rockk
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Mo, 16.03.20, 10:13

Hallo zusammen,

ich habe gerade gesehen, dass mein LEDController das PWM Signal mit nur 122Hz sendet. Der LDH-45A ist im Datenblatt mir 1kHz - 10kHz. Bedeutet das nun, dass mein der LDH mit dem Signal nichts anfangen kann, weil die Sendefrequenz zu niedrig ist?
ustoni
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Mo, 16.03.20, 12:07

Das siehst Du richtig.

Eine dermaßen niedrige Frequenz wird der LDH wohl nicht mehr in ein Steuersignal für die Stromeinstellung umwandeln können.

Wie der Ausgang des LDH in diesem Fall aussieht, lässt sich nicht vorhersagen.
Bad_Rockk
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Mo, 16.03.20, 13:20

Mist, dann muss ich über die analoge Dimmung gehen.

Dann muss ich mir noch einen RJ12-Schraubklemmen Adapter besorgen.
So kommt das Signal nämlich aktuell vom Aquariencomputer an den LEDController. Dafür kann ich mir aber vielleicht den Spannungteiler sparen, da die 1-10V Schnittstelle konfigurierbar ist. Aber ob ich sie auf 0.25-1.3V runterregeln kann, muss ich noch verifizieren.

Edith: Manchmal sieht man den Wald vor lauter Bäumen nicht mehr... Ich kann auch einfach ein altes RJ12 Kabel nehmen und den einen Stecker abknipsen. Dann komme ich auch an die einzelnen Adern dran.
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Di, 17.03.20, 10:03

Ich habe gestern noch Rückmeldung von Meanwell bzgl. der PWM Frequenz und dem LDH-45A bekommen.

Der LDH wird durch die geringere Frequenz keinen Schaden bekommen, aber sie konnten mir nicht versprechen, dass die Dimmung flackerfrei funktioniert. Sprich: ausprobieren und schauen was rauskommt.

Ich habe mir die letzten LDH's und Nichia NFCWL072B-V2 jetzt bestellt. Ein Multimeter ist auch auf dem Weg zu mir. Alu-Kühlblocks und ein wasserdichtes Gehäuse kommen irgendwann aus China geliefert. Damit kann ich zwei Module aufbauen. Sobald das Multimeter da ist, werde ich auch mal die 1-10V Ausgänge am Aquariencomputer austesten, wie weit ich diese runterregeln kann.
ustoni
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Di, 17.03.20, 12:07

Sobald das Multimeter da ist, werde ich auch mal die 1-10V Ausgänge am Aquariencomputer austesten, wie weit ich diese runterregeln kann.
Du kannst auch mit einem Spannungsteiler den Ausgang durch 4 teilen.
Dazu benötigst Du nur 2 Widerstände mit Widerstandswerten im Verhältnis 3:1.
Die Ausgangsspannung des Aquariencomputers wird dann auf 0,25 V - 2,5 V heruntergeteilt.
Eine programmierte Helligkeit von 52% entspricht dann einer Spannung von 1,3 V.
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Mi, 18.03.20, 10:23

Ja, das habe ich schon verstanden. Aber wenn ich die Spannung softwareseitig einstellen kann, spare ich mir das gebastele mit den Widerständen und muss auch nicht bei der Programmierung an irgendwelche Maximaleinstellungen denken.
Bad_Rockk
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Do, 19.03.20, 11:13

Ich habe nochmal eine Frage zum Spannungsteiler für die analoge Dimmung der KSQ.

Ich kann die 1-10V Schnittstelle folgendermaßen Einstellen
Vmin (bei1%) = 0-4V
Vmax = 4,5-10V

Da ich auf Vmax = 1,3V kommen muss, brauche ich auch wirklich die Teilung durch 4. Sprich ich würde den Spannungsteiler aus 620 Ohm und 3x 620 Ohm aufbauen. Damit teilt sich die Spannung im Verhältnis 3:1. Von den 620 Ohm Widerständen habe ich glücklicherweise gleich mehrere Bestellt.

Um auf Vmin = 0,25V zu kommen, muss ich die Schnittstelle auf Vmin(bei 1%) auf 0,5V programmieren. Um Vmax = 1,3V zu bekommen, muss ich Vmax auf 5,2V programmieren.
Schaltplan_KSQ_analog.jpg
Schaltplan_KSQ_analog.jpg (67.68 KiB) 2532 mal betrachtet
Passen meine Rechnungen/Schaltungen so?
ustoni
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Do, 19.03.20, 13:25

Nein.

Vmin lässt Du auf 1 V, Vmax programmierst Du auf 5,2 V.

Werden dann beide Werte durch 4 geteilt, ergeben sich die benötigten 0,25 V und 1,3 V.
Bad_Rockk
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Do, 19.03.20, 14:05

Logisch, da hatte ich wohl beim Schreiben was anderes im Kopf.

Aber der Schaltungsaufbau passt so, oder?
ustoni
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Do, 19.03.20, 14:19

Ja.
Bad_Rockk
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Fr, 15.05.20, 12:53

Hallo zusammen,

ich wollte hier auch mal Rückmeldung zu meinem Projekt geben.

Die COB-Module wurden in der Aquariumabdeckung verbaut und funktionieren super. Das Licht ist spitze, kein gelbstich oder ähnliches. Aktuell laufen die Module mit je 2x Nichia NFCWL072B-V2 (36V, 19W, 2800lm) auf max. 60% und werden mit Alu-Kühlkörpern aktiv mit dem Aquarienwasser gekühlt. Die Konfiguration wird aber nicht so bleiben, da ich mit den zwei Modulen nicht genug Ausleuchtung hinbekomme. Daher werden die Module auf 4 erhöht und jeweils nur 1 COB je Modul verbaut.

Nochmals vielen Dank für die hier gegebene Hilfe! Ohne hätte ich das nicht hinbekommen.
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